Bij het ontwerpen van een mechanisch systeem dat zo lang mogelijk meegaat, wetenschappers en ingenieurs moeten manieren vinden om wrijving te overwinnen. Hoewel onderzoekers veel materialen hebben gevonden die wrijving helpen verminderen, conventionele smeermiddelen hebben vaak chemische beperkingen. Een recente analyse van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy heeft de eigenschappen van een nieuwere, uitzonderlijk slijtvaste stof die in een breder scala aan omgevingen werkt.

Nanowetenschapper Anirudha Sumant en zijn collega's van Argonne's Center for Nanoscale Materials en Argonne's Energy Systems-divisie brachten een één atoom dikke laag grafeen aan, een tweedimensionale vorm van koolstof, tussen een stalen kogel en een stalen schijf. Ze ontdekten dat alleen de enkele laag grafeen meer dan 6, 500 "slijtagecycli, " een dramatische verbetering ten opzichte van conventionele smeermiddelen zoals grafiet of molybdeendisulfide.

"Ter vergelijking, ' zei Sumant, "conventionele smeermiddelen zouden ongeveer 1 000 lagen om 1 mee te gaan 000 slijtagecycli. Dat is een enorm voordeel in termen van kostenbesparingen met veel betere prestaties."

Grafiet wordt al meer dan 40 jaar als industrieel smeermiddel gebruikt, maar niet zonder bepaalde nadelen, Sumant uitgelegd. "Grafiet wordt beperkt door het feit dat het echt alleen werkt in vochtige omgevingen. Als je een droge omgeving hebt, het zal lang niet zo effectief zijn, " hij zei.

Deze beperking komt voort uit het feit dat grafiet – in tegenstelling tot grafeen – een driedimensionale structuur heeft. De watermoleculen in de vochtige lucht zorgen voor gladheid door zich tussen de koolstofplaten van grafiet te weven. Als er niet genoeg watermoleculen in de lucht zijn, het materiaal verliest zijn gladheid.

Molybdeendisulfide, een ander veelgebruikt smeermiddel, heeft het omgekeerde probleem, zei Sumant. Het werkt in droge omgevingen, maar niet goed in natte. "In wezen is de uitdaging om één universeel smeermiddel te vinden dat goed werkt voor mechanische systemen, waar ze ook zijn, " hij zei.

De tweedimensionale structuur van grafeen geeft het een aanzienlijk voordeel. "Het materiaal kan zich direct hechten aan het oppervlak van de roestvrijstalen kogel, waardoor het zo perfect zelfs is dat zelfs waterstofatomen er niet in kunnen doordringen, " zei Argonne materiaalwetenschapper Ali Erdemir, een medewerker van de studie die met grafeen gecoate stalen oppervlakken in zijn laboratorium testte.

In een eerdere studie in Materials Today, Sumant en zijn collega's toonden aan dat een paar lagen grafeen even goed werkt in vochtige en droge omgevingen als een vast smeermiddel, het oplossen van de 40 jaar oude puzzel van het vinden van een onberispelijk vast smeermiddel. Echter, het team wilde verder gaan en slechts een enkele grafeenlaag testen.

Terwijl je dit doet in een omgeving met moleculen van zuivere waterstof, ze zagen een dramatische verbetering in de operationele levensduur van grafeen. Wanneer de grafeenmonolaag uiteindelijk begint te slijten, waterstofatomen springen erin om het rooster te repareren, alsof je een quilt weer aan elkaar naait. "Waterstof kan alleen in de stof komen waar al een opening is, " zei Subramanian Sankaranarayanan, een Argonne computational scientist en co-auteur in deze studie. Hierdoor blijft de grafeenlaag langer intact.

Onderzoekers hadden eerder experimenten gedaan om de mechanische sterkte van een enkele laag grafeen te begrijpen, maar de Argonne-studie is de eerste die de buitengewone slijtvastheid van grafeen van één atoom dik verklaart.

Een artikel op basis van het onderzoek, "Buitengewone slijtvastheid op macroschaal van één atoomdikke grafeenlaag, " verscheen in de editie van 26 augustus van" Geavanceerde functionele materialen . Argonne postdoctoraal onderzoekers Diana Berman en Sanket Deshmukh zijn andere auteurs van deze studie.